中国石油新型储能技术进展与前景展望

全球能源领域正在发生巨大变革,传统国际油公司纷纷布局新能源,向绿色低碳方向转型。储能具有能量存储与灵活调度等功能,在油气田风光发电的电源侧、电力输送的电网侧以及油气行业上中下游的用户侧存在众多应用场景,将发挥重要作用。文章研究梳理了储能行业发展态势及各类先进储能技术的特点与成熟度,探讨了油气行业所需的低成本、高安全、耐宽温、大容量等先进储能技术类型,提出了当前在技术成本、容量和规模、循环寿命和可靠性、地理限制和环境影响、法规和政策支持等方面面临的挑战。在对国际油气与能源公司的储能布局调研分析的基础上,按小规模(<1MW/1MW·h)、中等规模(1MW/1MW·h~100MW/100MW·h)、大规模(>100MW/100MW·h)对油气行业储能需求进行分类。“十三五”以来,中国石油储能在钛酸锂电池、水系锌离子电池、液流电池等电化学储能技术以及盐穴压缩空气、飞轮储能为主的物理储能技术等方面取得了系列创新成果。面对储能技术路线多样、迭代迅速和产业链长等特点,油气企业需依托自身需求与特色应用场景以推动储能业务发展。具体建议:发挥储能的纽带作用,加速油气行业与新能源融合发展;发展符合油气行业需求的特色储能技术,快速形成标准体系;加强跨学科人才培养力度,培养适应油气行业储能技术发展的工程技术人才;发挥储能在未来综合能源系统中的核心作用,支撑油气企业向综合性能源公司转型。

功率型储能技术在新能源场站一次调频中的作用及应用研究

在以新能源为主体的新型电力系统中,面临着由新能源发电量大比例增加导致电力系统安全稳定运行风险增大的问题,主要表现为电网调节能力及抗干扰能力不断下降。如何通过先进的储能技术解决新能源场站调频能力不足的问题,研制适用于新能源场站一次调频支撑的功率型储能系统,为电网支撑型新能源场站进行技术储备和规模化实证,从而实现大规模新能源电力的友好高效送出。从新能源场站实际工程应用的角度出发,提出采用钛酸锂电池、飞轮储能和超级电容这3种不同的新型功率型储能技术构成的一次调频储能系统,对功率型储能技术在新能源场站一次调频中的作用和功能进行了验证。研究结果表明:实现一次调频功能是新能源场站从非主体电源成长为主体电源过程中应当承担的责任,对电力系统的安全稳定将起到积极的支撑作用;采用灵活的站控层结构和快速的通信方式,才能充分发挥一次调频储能系统的快速响应特性;功率型储能技术的充放电循环寿命长,更适用于一次调频的应用场景。研究结果可促进功率型储能产业链的加速完善。

十二轴交流传动电力机车储能电源技术方案设计

为解决铁路天窗点给乘务人员带来的不便,针对十二轴交流传动电力机车设计了储能电源供电方案;实现夏天提供制冷,冬天提供制热,同时具备机车库内移车功能。方案选用钛酸锂电池作为储能装置,同时配置AC/DC充电机用于储能系统充放电;另外,为了确保电池系统与高压系统隔离,与机车主电路设置了互锁机制,保障机车安全。天窗点时,储能系统通过恒频恒压支路向空调和暖风机供电;库内动车时,储能系统通过辅助变压器、主变流柜驱动电机,实现动车功能。

钛酸锂电池在脉冲高能激光系统中的适用性研究

为了评估钛酸锂电池在脉冲高能激光系统中的适用性,主要基于储能介质的放电能力和安全性应用特点,概述了脉冲高能激光系统对初级储能装置的需求条件,通过类比和理论计算分析了常用储能介质的适用性,并通过放电性能试验和安全性试验验证了钛酸锂电池的工程应用可行性。结果表明,钛酸锂电池具备较高的放电能力和很高的安全性,能够满足脉冲高能激光系统的应用需求,具备推广条件。

钛酸锂电池在城市轨道交通的适用性研究

近年来,随着对运营可靠性和节能环保要求的不断提高,以及新能源储能技术的不断提升,车载储能技术在轨道交通机车车辆的应用得到了快速发展。钛酸锂电池凭借较高的能量密度、宽温度范围、长循环寿命、高安全可靠性已经开始在城市轨道交通中推广应用。以钛酸锂电池储能技术为核心,从钛酸锂电池的发展、性能特点及应用场景几个方面分析了钛酸锂电池在轨道交通中的适用性,阐述钛酸锂电池成组过程中的技术问题,最后,面向未来大规模长时间运行的应用场景,从钛酸锂电池的寿命评估、车载储能的优化匹配及高效能量管理、基于离线/在线的全寿命周期电池数据分析3个角度,对钛酸锂应用存在的问题和研究热点进行总结和展望。

钛酸锂电池在兆瓦级储能系统中的应用分析

相对于传统型的锂离子电池,钛酸锂电池具有充放电响应速度快、倍率特性好、寿命长等优点,但钛酸锂电池单位容量的成本较高。本文从储能系统应用需求层面分析典型功率型储能系统对电池倍率和容量的要求,结合钛酸锂电池的特点,得出高倍率的钛酸锂电池应用于功率型储能系统相对于能量型锂电池,可以大幅度减少电池配置数量的结论,因此可发挥钛酸锂电池的竞争优势。

钛酸锂电池在地铁车辆中的应用研究

以昆明地铁5号线车辆为例,对车辆紧急负载供电和基地内牵引工况所需电池容量进行计算,并提出钛酸锂电池作为车辆辅助电源的设计方案。针对钛酸锂电池浮充工况进行模拟试验,分析电池的容量状态,建立了电池容量特性参数随电池浮充使用的变化规律,确定了电池容量变化机理。

商用Li_4Ti_5O_(12)电池的温度特性及容量衰减模型

钛酸锂(Li_4Ti_5O_(12),LTO)由于具有诸多优点,如超长的循环寿命、优异的倍率循环性能和良好的安全性,被认为是最具潜力的负极材料,有望在储能领域大规模应用。该文通过测试商用软包NCM/LTO基锂离子电池(标称容量10A?h,额定电压2.2~3.5V)在不同温度下5400次循环的容量衰减,获得循环放电容量曲线。通过对其进行特定循环周数的节点测试,获得电池在不同温度下的0.1C放电容量,分离电池的不可逆容量损失,利用阿仑尼乌斯公式建立容量衰减模型,并拟合曲线,公式很好地符合了不同温度的衰减情况,并得到在温度T与循环时间tn下的容量预测经验公式,分别对2500、5000、7500和10000h不同温度下的容量进行预测。

储能应用中的BMS系统设计

设计了一款适用于储能应用中的电池管理系统。该系统为3层结构,采用MC33771作为模拟量采样芯片,实现了电池的电压、电流、温度等数据的获取,并在此基础上完成了其他需求功能。以储能系统中广泛使用的钛酸锂电池为实际测试对象,测试结果表明所设计的BMS系统能够实现对电池各项信息的准确采样,其中电压测量误差不超过2 mV,电流采样误差在0.1%以内,并可有效完成各项设定功能,满足储能应用需求。

地铁钛酸锂电池车载储能系统研究

以轨道交通车辆车载储能系统为对象,对当前应用于轨道交通车辆中的超级电容、高能电容和锂离子电池等车载储能元件的性能进行对比分析,得出钛酸锂电池具有高功率密度、高能量密度、高可靠性的技术特点。结合钛酸锂电池的性能特点和控制策略的研究,通过项目应用实例和现场试验对比,阐述了钛酸锂电池在地铁车辆储能系统中大规模应用的技术优势和广阔前景。

钛酸锂电池胀气程度与循环性能的关系研究

尖晶石型钛酸锂电池以其优良的倍率性能和循环性能受到广泛应用，但是其胀气问题严重制约着电池的发展，尤其在高温下胀气更加严重。为解决该问题，选取3种商用的钛酸锂软包电池为实验对象，在高温条件下进行充放电循环，并用自行设计的电池胀气体积测试装置测试电池的胀气体积，结果表明当电池容量保持率为80％时，1号和2号电池循环至1500次、而3号电池循环至1000次，且对应的电池胀气率分别为43．05％、13．46％、46．55％。在整个充放电循环过程中，对电池胀气率散点进行拟合，1号和2号电池的胀气率均呈线性增长，且1号电池增长速率大于2号电池，而3号电池胀气率呈二次函数增长。通过对电池的容量衰减率和胀气率的分析，发现电池的容量衰减率随着胀气率的增大而增大。交流阻抗测试对循环前后的钛酸锂电池测试分析表明，电池的胀气率越高，则电池的欧姆阻抗越大，2者呈线性规律；而只有当电池胀气率达到一定程度时电池的电化学阻抗才会有较大变化；胀气率对扩散阻抗的影响存在一个上限。

有轨电车不同制式储能系统对比分析

为提升储能式有轨电车项目的运用管理水平,优化后续新建项目设计,降低项目全寿命周期成本,以广州海珠试验段、广州黄埔1号线及三亚有轨电车项目的车辆储能系统为研究对象,结合各自线路供电系统的设计特点,对3种不同系统所采用的关键技术原理、能量存储及消耗参数、运营维护重难点、使用寿命及成本等方面进行对比分析。其中,在设备运用可靠性方面,超级电容和电池电容储能系统具有一定的优势;在可维护性方面,3种系统制式均存在维护难点;电池电容储能系统的衰减程度较大。综合来看,在提升单一制式储能系统的续航能力和混合供电系统运用可靠性的基础上,适当简化供电系统,开展集约型的设计,将是今后储能式有轨电车工程的发展方向。

市域动车组无网自走行技术的应用

结合某城市新一代全自动无人驾驶市域动车应用项目,介绍了利用车载储能系统实现市域动车的无网自走行,既解决了市域动车在正线上因受电失败而导致不能正常运营的问题,又解决了市域动车因故停在分相区后只能等待救援才能驶离分相区的问题,实现市域动车的全自动无人救援。分析了市域动车车辆利用钛酸锂车载储能系统在AW3载荷条件下,分别在平直道上牵引15 km(隧道)以及在20‰坡道上牵引600 m(分相区)的牵引仿真计算,提出了对车载储能系统的能量和功率需求,并综合两种需求提出了系统解决方案。方案中提到除了满足牵引能量和功率需求以外,针对轨道交通行业对子部件体积、重量、安全以及智能化管理方面的需求,车载储能系统选择钛酸锂作为最终的储能设备;并结合BMS(电池管理系统)的功能讲述了高效合理利用车载储能系统,实现系统利用率的最大化。

一种有轨电车车载复合储能系统及其充放电策略

随着储能式有轨电车在越来越多城市应用,各方对车载储能的要求也越来越高,仅采用超级电容的车载储能系统难以满足发展需求。文章围绕提高车载储能系统性能问题,对基于超级电容和钛酸锂电池的车载复合储能系统进行研究,提出了一种配套的充放电策略,并结合黄埔有轨电车1号线的线路情况进行仿真分析验证。

钛酸锂电池城区电网储能系统经济性分析模型

以储能系统全寿命周期内收益最大化为目标,考虑钛酸锂电池的循环寿命及放电深度对储能系统成本的影响等因素,建立储能系统收入模型和全寿命周期年均成本模型,在此基础上建立基于钛酸锂电池的城区电网储能系统经济性评价模型。算例分析结果表明,该模型能够实现城区电网中钛酸锂电池储能系统的成本控制,可在寿命周期内实现预期的经济效益。

轨道交通车载储能系统研究

城市轨道交通作为城市中旅客运输的主要载体,其安全一直是人们关注的焦点。文章设计了一款轨道交通车载储能系统,利用钛酸锂电池的储能特性及高倍率充放电特性,实现了车辆在离网故障下的应急自牵引及辅助系统的紧急供电,同时满足车辆制动能量的回收需求。

钛酸锂电池在大倍率放电储能系统的应用

本文介绍了钛酸锂电池在大倍率放电储能系统的集成设计与实现方法。研究了钛酸锂电池如何实现大倍率充/放电,从需求到应用、从单体电池到电池簇、从电气设计层面分析储能系统,合理规划系统架构,结合电池管理系统,研发出一套497V/70Ah/35kWh钛酸锂电池储能系统。

改性钛酸锂的储锂和储钠性能

通过粉末X射线衍射、热重、差示扫描量热与扫描电子显微镜考察了6种改性钛酸锂材料的微观结构特征,并组装成扣式电池考察它们作为锂离子电池与钠离子电池负极材料时的电化学特征。结果表明:作为锂离子电池负极材料,无定形碳和碳纳米管包覆钛酸锂具有更高的可逆容量、优异的循环性能和良好的倍率性能;而作为钠离子电池负极材料,纳米化钛酸锂材料具有更好的储钠性能;一次粒子小于100 nm的钛酸锂材料,以0.1C充放电时可逆容量为155 m A·h/g,以0.2C放电、10C充电时,容量仍保持在118 m A·h/g。

静电纺丝法制备空心钛酸锂材料

为进一步提升钛酸锂材料的性能,本文在传统静电纺丝技术的基础上,将纺丝喷头改进成内外嵌套的同轴喷头,以两种溶液的形式进行同轴共纺,得到了具有空心结构的钛酸锂纤维丝.将其与传统静电纺丝法制备的实心结构钛酸锂纤维丝进行对比,结果表明:空心钛酸锂材料粒度均一、无团聚现象,材料具有明显的空心结构,结晶性能良好,比表面积是实心结构的1. 3倍.形貌结构的改善极大地提高了空心钛酸锂材料的电化学性能,表现为小倍率下二者的放电比容量接近理论比容量,但在20C倍率下空心结构的钛酸锂材料优于实心钛酸锂,仍可达到130 m A·h·g-1,循环200周后容量保持率仍达98%,具有良好的稳定性;循环伏安和交流阻抗曲线也表明:空心结构使得钛酸锂材料的极化程度减少,电化学反应阻抗降低,更有利于电化学反应的进行.